鄭國昆 蘇 娟 吳齊才 楊之江

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076)

0 引 言

運載火箭地面設備(以下簡稱地面設備)在運載火箭測試發(fā)射過程中，主要完成加注、供氣、瞄準、垂直度調(diào)整、加泄連接器脫落和擺桿控制等各個功能的射前準備工作。目前地面設備各分系統(tǒng)均已實現(xiàn)測控流程的電氣化，但各分系統(tǒng)僅在內(nèi)部形成了測控流程的自動化體系，系統(tǒng)的交互少，各分系統(tǒng)間的測控系統(tǒng)技術(shù)水平參差不齊、標準不一，接口匹配設計復雜、兼容性差；各分系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)分散，難以全面了解各系統(tǒng)測試狀態(tài)，上級指揮自動化程度低、發(fā)射決策效率低下，導致了測試發(fā)射準備周期長；各分系統(tǒng)測試設備重復配套，不利于研制成本的控制。

地面設備在運載火箭系統(tǒng)中屬于可重復使用的系統(tǒng)，隨著我國航天器高密度發(fā)射的常態(tài)化，對地面設備也提出了新的要求：1) 提升地面設備測控系統(tǒng)的通用性，避免各分系統(tǒng)單獨設計測控系統(tǒng)帶來的差異性問題以及各分系統(tǒng)內(nèi)部接口不一致導致的兼容性問題；2) 提升地面設備測試的自動化程度，地面設備歷來是火箭系統(tǒng)中自動化程度相對低下的部分，靠人工完成的測試項目較多，實現(xiàn)測試流程自動化和判讀數(shù)據(jù)實時化，對節(jié)約人力，實現(xiàn)無人值守，縮短發(fā)射準備周期有重要意義，以避免高密度發(fā)射帶來的周期被迫縮短問題；3) 提高數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)現(xiàn)場分析處理歸檔入庫，方便測試人員進行數(shù)據(jù)判讀、歷史數(shù)據(jù)查詢等。

在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，不同硬件控制設備之間的數(shù)據(jù)交互一般依靠不同的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)，但硬件設備廠商提供的驅(qū)動程序功能相對固定，不滿足軟件設計人員的不同需求，當系統(tǒng)功能需求超過硬件設備廠商提供的驅(qū)動程序功能范圍時，軟件設計中就必須進行設備驅(qū)動程序設計環(huán)節(jié)，大大增加了軟件的復雜度，降低了系統(tǒng)的可維護性和可靠性。

OPC(Object Linking and Embedding for Process Control)技術(shù)的出現(xiàn)為此問題的解決提供了契機。OPC是基于過程控制的對象鏈接和嵌入(Object Linking and Embedding，OLE)技術(shù)[1]，是基于微軟公司的COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術(shù)制定的自動化領域信息通信接口應用技術(shù)?；贠PC技術(shù)，可使硬件設備廠商之間具備了一套通用的依據(jù)和標準，由硬件設備廠商提供OPC服務器程序，軟件設計中僅需在滿足OPC規(guī)范的情況下，即可與不同的硬件設備進行數(shù)據(jù)交互，這樣就掃除了不同軟件和硬件之間的通信障礙，并且從根本上解決了軟件設計中必須為不同設備開發(fā)驅(qū)動程序的問題。同時，不同軟件之間由于數(shù)據(jù)接口不匹配帶來的通信問題也可通過OPC技術(shù)解決，為實現(xiàn)不同的系統(tǒng)及模塊間協(xié)調(diào)運行提供了可能[2-4]。

1 OPC技術(shù)規(guī)范及技術(shù)背景

1.1 OPC規(guī)范概述

OPC技術(shù)是在微軟公司的COM和DCOM基礎上發(fā)展的，因此具備面對對象的特征，OPC規(guī)范是包含了一系列的屬性和方法的集合，由OPC基金會進行發(fā)布和維護，作為全世界硬件設備廠商的研發(fā)規(guī)范。OPC規(guī)范主要包含實時數(shù)據(jù)存取規(guī)范(Data Access，DA)、報警與事件處理規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)處理規(guī)范、批量數(shù)據(jù)過程規(guī)范、數(shù)據(jù)安全規(guī)范和數(shù)據(jù)交換規(guī)范等一系列規(guī)范。其中OPC DA規(guī)范是OPC規(guī)范的基礎，基于OPC DA規(guī)范的實時數(shù)據(jù)，其余的規(guī)范才得以建立發(fā)展[5-9]。

OPC DA規(guī)范有別于一般傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互方式，其可使上位機與現(xiàn)場硬件設備在相互之間的通信規(guī)則未知的情況下還可以正常進行數(shù)據(jù)交互。OPC DA規(guī)范采用COM技術(shù)典型的C/S模式，一個OPC客戶端可以連接到一個或多個OPC DA服務器，一個OPC DA服務器可以與一個或多個客戶端相連接。其典型的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。理論上OPC DA服務器可以和所有的硬件設備或?qū)崟r數(shù)據(jù)源連接，因此使上位機軟件不需要為特定的硬件設備開發(fā)驅(qū)動程序。

圖1 OPC C/S模式典型架構(gòu)圖

PC服務器是基于OPC規(guī)范的控制系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是為對應設備提供符合OPC規(guī)范的接口和數(shù)據(jù)通信機制。OPC規(guī)范中要求硬件設備廠商必須提供符合規(guī)范的OPC服務器，以保證任何符合OPC規(guī)范的OPC客戶端均可實現(xiàn)對其的訪問和數(shù)據(jù)交互。同時，OPC規(guī)范要求所有的軟件廠商必須提供符合規(guī)范的OPC客戶端，以保證客戶端可訪問任何符合規(guī)范的OPC服務器，并與其進行數(shù)據(jù)交互。

OPC服務器內(nèi)部結(jié)構(gòu)由服務器(Server)對象、組(Group)對象和項(Item)對象組成，其中：Server對象維護自身信息和Group對象鏈表；Group對象維護自身信息和Item對象鏈表；Item對象內(nèi)部維護自身信息，主要包括訪問權(quán)限、激活狀態(tài)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)值等。Server對象和Group對象為標準COM組件，提供標準接口，Item對象不提供客戶端接口，可自定義或派生于COM。這樣OPC服務器就可將對硬件設備的訪問封裝在內(nèi)部，而只為OPC客戶端提供訪問接口，OPC客戶端僅需明確接口即可調(diào)用相應的服務完成功能，無須考慮訪問硬件設備這一復雜過程。OPC服務器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 OPC 服務器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3為OPC服務器和OPC客戶端數(shù)據(jù)流向圖?？蛻舳送ㄟ^接口函數(shù)與服務器進行數(shù)據(jù)交互，客戶端用戶界面可實現(xiàn)對服務器端的操作；服務器通過驅(qū)動程序與硬件設備數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)交互，Server地址空間起保存具體數(shù)據(jù)源的作用，對象接口部分是客戶端和服務器進行數(shù)據(jù)傳遞的唯一途徑，服務器的用戶界面并非必須存在，一般只用作監(jiān)測服務器運行狀態(tài)和客戶端數(shù)量等。

圖3 OPC 服務器和客戶端數(shù)據(jù)流向

1.2 地面設備測控系統(tǒng)常用架構(gòu)

隨著我國航天運載火箭的發(fā)展，地面設備測控系統(tǒng)也經(jīng)歷了從無到有，由簡入繁的過程，本文以包含3個分系統(tǒng)的地面設備測控系統(tǒng)為例，介紹地面設備測控系統(tǒng)的常用架構(gòu)。

1) 分系統(tǒng)獨立的集成式測控系統(tǒng)：該系統(tǒng)架構(gòu)原理圖如圖4所示，3個分系統(tǒng)獨立設計，互相之間沒有數(shù)據(jù)交互。分系統(tǒng)的內(nèi)部采用上位機+系統(tǒng)測控單元的常用架構(gòu)模式。系統(tǒng)測控單元是系統(tǒng)架構(gòu)的核心，一般根據(jù)系統(tǒng)功能和性能需求選取PLC、單片機和實時控制器等硬件設備，控制執(zhí)行器件(電機、電磁閥等)完成系統(tǒng)的規(guī)定動作，通過傳感器采集系統(tǒng)的各項參數(shù)和狀態(tài)。上位機運行用戶界面以完成監(jiān)測和控制，與系統(tǒng)測控單元進行數(shù)據(jù)交互，顯示系統(tǒng)的參數(shù)和狀態(tài)，并完成數(shù)據(jù)處理和存儲等功能。此種系統(tǒng)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)交互必須通過驅(qū)動程序執(zhí)行，而不同的分系統(tǒng)的具體的硬件設備和廠商均不同，導致不同分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互需要的驅(qū)動程序不一致，軟件開發(fā)難度大，系統(tǒng)通用性和可維護性差，并且各分系統(tǒng)獨立運行，時間難以統(tǒng)一也是一大難題。發(fā)射測試過程中，各分系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，由于各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)獨立處理和存儲，當分系統(tǒng)工作存在測試流程上的邏輯性時，數(shù)據(jù)后處理和分析的工作量也相當巨大。

2) 地面設備集成測控系統(tǒng)：系統(tǒng)架構(gòu)原理圖如圖5所示，在系統(tǒng)架構(gòu)1)的基礎上，增加指揮控制單元和數(shù)據(jù)處理單元。指揮控制單元和數(shù)據(jù)處理單元可以與各分系統(tǒng)的上位機進行數(shù)據(jù)交互，指揮控制單元負責發(fā)射測試過程的指揮調(diào)度協(xié)調(diào)功能，提升發(fā)射測試過程的指揮調(diào)度自動化，數(shù)據(jù)處理單元負責將測試過程中各分系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行實時處理和存儲，并在此基礎上，為實現(xiàn)全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時監(jiān)測判讀提供了條件。但是，此種系統(tǒng)仍然以系統(tǒng)架構(gòu)1)為基礎，沒有脫離分系統(tǒng)獨立的拓撲結(jié)構(gòu)，并且與系統(tǒng)測控單元的數(shù)據(jù)交互仍然需要單獨設計，很難做到接口一致。

圖5 集成式測控系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

為解決地面設備各分系統(tǒng)測控單元選型不一，設備接口不一致等問題，本文提出一種基于OPC技術(shù)的地面設備測控系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示。系統(tǒng)架構(gòu)采取分層式架構(gòu)設計，分為現(xiàn)場設備層、OPC服務器層、OPC客戶端層和系統(tǒng)應用層。

圖6 基于OPC技術(shù)的地面設備測控系統(tǒng)架構(gòu)

1) 現(xiàn)場設備層。仍以3個分系統(tǒng)為例，包括各分系統(tǒng)的測控單元、執(zhí)行器件和傳感器，分系統(tǒng)1與分系統(tǒng)2的測控單元選型相同的情況下，二者可共用相同驅(qū)動程序接口，但分系統(tǒng)3的測控單元與其余分系統(tǒng)不同，因此驅(qū)動程序接口不一致。

2) OPC服務器層。分系統(tǒng)1與分系統(tǒng)2的驅(qū)動程序相同，因此二者共用同一OPC DA服務器，分系統(tǒng)3使用不同的OPC DA服務器，兩個OPC DA服務器可以依據(jù)OPC 數(shù)據(jù)交換規(guī)范進行數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互過程由OPC數(shù)據(jù)交換服務器實現(xiàn)。這樣在OPC服務器層即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，當某一分系統(tǒng)存在造成多個分系統(tǒng)的人員和設備安全風險的故障時，可通過OPC數(shù)據(jù)交換服務器使其余分系統(tǒng)得知，并應急處理，提升了應急處理信息的傳遞速率。在OPC DA服務器的基礎上，依據(jù)OPC報警與事件處理規(guī)范建立OPC報警處理(AE)服務器，用于對實時數(shù)據(jù)采集后進行簡單的判斷和相應。依據(jù)OPC歷史數(shù)據(jù)處理規(guī)范建立OPC歷史數(shù)據(jù)處理(HDA)服務器，用于OPC服務器層對實時數(shù)據(jù)進行趨勢等分析。最后，OPC服務器層依據(jù)OPC規(guī)范，向OPC客戶端提供接口以供調(diào)用。

3) OPC客戶端層。包含OPC DA、OPC AE、OPC HDA客戶端，可通過客戶端調(diào)用接口完成與各自服務器的數(shù)據(jù)交互，并且在客戶端層設置OPC服務器配置工具，用于對OPC服務器層包含的服務器進行配置，作為系統(tǒng)擴充和更改時使用。

4) 系統(tǒng)應用層。系統(tǒng)應用層的主要作用是提供面向用戶的用戶界面、實時數(shù)據(jù)處理和存儲，測試數(shù)據(jù)中心將地面設備過程中的所有測試數(shù)據(jù)進行實時處理，按照預先設定好的處理方法進行處理，完成后進行數(shù)據(jù)庫操作，并將數(shù)據(jù)提供給需要的模塊。分系統(tǒng)1-分系統(tǒng)3用戶界面為各分系統(tǒng)人員進行測試操作、監(jiān)測和控制的人機界面接口。地面設備指揮控制用戶界面實現(xiàn)發(fā)射測試過程的指揮調(diào)度協(xié)調(diào)功能，提升發(fā)射測試過程的指揮調(diào)度自動化，使各分系統(tǒng)按照測試流程順序執(zhí)行動作。數(shù)據(jù)瀏覽用戶界面基于實時測試數(shù)據(jù)中心和歷史數(shù)據(jù)庫建立，用于在發(fā)射測試過程中及發(fā)射后進行數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)報表、數(shù)據(jù)判讀及數(shù)據(jù)導出等功能的實現(xiàn)。在測試發(fā)射的不同階段，對地面設備的技術(shù)狀態(tài)要求不一，因此應用層配置工具主要完成測試流程配置、指令配置、參數(shù)配置和用戶界面配置等功能。

圖6所示的系統(tǒng)架構(gòu)中，現(xiàn)場設備層和OPC服務器層之間的數(shù)據(jù)交互需要硬件設備的驅(qū)動程序支持?；贠PC規(guī)范，硬件設備廠商在為其硬件設備開發(fā)OPC服務器時，已經(jīng)將驅(qū)動程序一并包含并提供，因此不需要系統(tǒng)軟件設計人員再重復開發(fā)，軟件設計人員僅需依據(jù)OPC服務器提供的接口進行相應的客戶端開發(fā)即可實現(xiàn)與所有的硬件設備的數(shù)據(jù)交互，最大限度保證了設計通用性，無論哪個分系統(tǒng)，對于OPC客戶端而言，接口均一致，保證了客戶端及系統(tǒng)應用層軟件的通用性。

本文提出的系統(tǒng)架構(gòu)中，分系統(tǒng)作為地面設備測控系統(tǒng)的一部分嵌入到系統(tǒng)架構(gòu)中，利用應用層配置工具可進行測試流程配置，可快速完成不同分系統(tǒng)的測試流程界面的配置，免去大量測試流程調(diào)整的工作。

在測控系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)故障時，采取對OPC服務器進行配置的方式，對地面設備測控系統(tǒng)架構(gòu)進行在線重構(gòu)，保證系統(tǒng)除故障點外的其余部分不受故障影響，可繼續(xù)完成測試流程，提升了系統(tǒng)的容錯能力和可維護性。實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)均統(tǒng)一維護在實時數(shù)據(jù)中心和歷史數(shù)據(jù)庫中，保證數(shù)據(jù)的完整性及數(shù)據(jù)采集格式的統(tǒng)一，便于進行數(shù)據(jù)判讀和報表分析等工作。

3 結(jié) 語

本文首先提出當前運載火箭地面設備測控系統(tǒng)的需求，分析OPC技術(shù)規(guī)范的原理和優(yōu)勢，其次在概括了當前地面設備測控系統(tǒng)的常用架構(gòu)的弊端的基礎上，提出了基于OPC技術(shù)的運載火箭地面設備測控系統(tǒng)架構(gòu)，介紹其組成，并重點描述了各虛擬層的功能，最后著重分析了提出的系統(tǒng)架構(gòu)相對于常用架構(gòu)在工作量、可維護性和擴充能力方面的優(yōu)勢?；贠PC技術(shù)的運載火箭地面設備測控系統(tǒng)，可大大減少系統(tǒng)軟件設計的工作量，使之更集中于系統(tǒng)功能的實現(xiàn)而非底層驅(qū)動的實現(xiàn)上，可提高系統(tǒng)的擴充能力和容錯能力，其數(shù)據(jù)維護的方式更為合理，為后續(xù)數(shù)據(jù)判讀智能化、測試流程全自動化發(fā)展奠定了基礎，為實現(xiàn)運載火箭加注發(fā)射測試過程無人值守提供了可行的思路。